JP4267324B2 - Superconducting filter device and radio reception amplifying device - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は移動体通信の基地局に用いる超伝導フィルタ装置及び超伝導フィルタを備えた無線受信増幅装置に係り、特に、冷凍機の異常を速やかに検出することが可能な超伝導フィルタ装置及び超伝導フィルタを備えた無線受信増幅装置に関する。
背景技術
一般に、通信用フィルタで急峻な遮断特性を得るためにはフィルタの段数を大きくしなければならない。しかし、その分、通過帯域における損失が大きくなる問題が発生する。そこで、超伝導体が通常の金属に比べて抵抗が2〜3桁低いことに着目し、フィルタの導体として超伝導体を用いて通過帯域における損失を極力小さく抑えるようにした超伝導フィルタが実用化されている。かかる超伝導フィルタは、近年、移動帯通信における周波数の有効利用、加入者容量の増加、基地局カバーエリアの増大等を目的として注目を浴びている。超伝導フィルタの超伝導体材料として臨界温度(Tc)=90K程度のYBCO(Y−Ba−Cu−O)が知られており、特性が安定するTc=70K程度で使用されている。
図18は超伝導フィルタを備えた従来の無線受信増幅装置の構成図である。超伝導フィルタ(SCF)1と低雑音増幅器(LNA)2はコールヘッド(冷却端)4上に固定され、真空容器3内に収容されている。コールヘッド4は冷凍機5により冷却されるようになっておリ、超伝導フィルタ1、低雑音増幅器2はこのコールヘッド4を介して冷凍機5により冷却されてTc=70Kで動作するようになっている。真空容器3及び冷凍機5は屋外に設置できるように筐体6の中に配設され、筐体6及び真空容器3に設けた端子7a、7b間並びに8a,8b間は同軸ケーブル9a,9bにより接続され、又、端子7b→超伝導フィルタ1→低雑音増幅器2→端子8b間も同軸ケーブル9cにより接続されている。
超伝導フィルタ1は図19(A),(B)に示すように、厚さt=0.5mmのMgO基板1a上にフィルタ電極1bとn段(図ではn=5)のλ/2共振器1cをYBCO膜でパターニングし、アルミ合金パッケージ1dで密封した構成を備えている。パッケージ1dは電磁界の漏れを防ぎ、これにより均一にフィルタ基板1aを冷却する。尚、図19(A)はパッケージの上蓋1eを取り除いた平面図、図19(B)は(A)におけるAA断面図である。又、1f,1gは同軸コネクタ、1hは厚さ0.4μmのYBCO膜で形成したグランドである。
真空容器内における電気接続構成は図20に示すようになっており、例えば2系統の無線受信増幅装置が形成されている。超伝導フィルタ1,1′は70Kの極低温に冷却されると所定の通過帯域特性を示し、入力端子7b,7b′から入力する受信信号に含まれる信号のうち該通過帯域成分を出力する。低雑音増幅器(LNA)2,2′は超伝導フィルタ1,1′を通過した信号を増幅して出力端子8b,8b′より送出する。低雑音増幅器2,2′は図21(A),(B)に示すゲイン特性、雑音指数特性を備えている。実線は常温時(=23℃)、点線は77Kの極低温時の特性であり、極低温にするとゲインが2dB程度上昇し、かつ、雑音指数(Noize Figure)が減小することがわかる。すなわち、低雑音増幅器2,2′は常温より極低温で使用する方が好ましい。
以上より、超伝導フィルタ1は真空容器3内に納められ、冷凍機5によってたとえばT=70Kといった極低温に冷却されて動作する。また、受信した信号を所定のレベルまで増幅する低雑音増幅器(LNA)2も極低温化すると雑音指数を小さくできるので、超伝導フィルタ1と同時に冷却するのが一般的である。アンテナ(図示せず)により受信された信号はアンテナフィーダを介して入力端7aから筐体6に入力され、同軸ケーブル9a,9cを伝播し、必要な周波数帯の信号だけが超伝導フィルタ1によって取り出され、低雑音増幅器2によって所定の信号レベルまで増幅され、出力端8aから出力される。
移動体通信システムにおいて、図18に示す無線受信装置はビルの屋上といった屋外に設置され、真夏などでは高温多湿の悪環境下に置かれる。このように非常に過酷な条件にありながら、無線受信装置は例えば数万時間といった長時間安定運転の信頼性が求められる。しかし、冷凍機5には多くの摺動部分が用いられるため、機械的に故障してしまう可能性がある。冷凍機5が故障すると、たとえばT=70Kに保たれていた温度が当然上昇してしまい、超伝導フィルタ1が本来の機能を果たせなくなり、通信不能という状態に陥ってしまう。そこで、冷凍機に故障が発生した場合、該故障を即座に検出して通報する機能あるいは故障を軽微の段階で検出して通報する機能が必要である。従来は真空容器内における温度を測定し、該温度が設定温度以上になったか監視することで冷凍機の異常を検出するものがあるが、装置が大がかりになり、重量も増加し、小型軽量化の要求にマッチしない問題がある。
以上より、本発明の目的は、冷凍機の障害を素早く、確実に検出でき、しかも、小型軽量化が可能な超伝導フィルタ装置や無線受信増幅装置を提供することである。
本発明の別の目的は、冷凍機の障害検出及び障害の程度を検出できる超伝導フィルタ装置及び無線受信増幅装置を提供することである。
本発明の別の目的は、冷凍機、低雑音増幅器のいずれに障害が発生したのか、あるいは両方に障害が発生したのかを確実に検出できるようにすることである。
発明の開示
本発明の超伝導フィルタ装置は、極低温に冷却されたとき所定の通過帯域特性を示す超伝導フィルタ、該超伝導フィルタを極低温に冷却する冷凍機、前記通過帯域外のパイロット信号を発生し、該パイロット信号を超伝導フィルタにアンテナ受信信号と共に入力するパイロット信号発生部、超伝導フィルタから出力する信号に含まれるパイロット信号のレベルに基づいて冷凍機の異常を判定する判定部を備えている。冷凍機に障害が発生して温度が上昇すると、超伝導フィルタの通過帯域が低周波側に移動し、パイロット信号周波数が超伝導フィルタの通過帯域内に入り、パイロット信号が超伝導フィルタを通過する。従って、超伝導フィルタから出力する信号にパイロット信号が含まれているか監視することにより冷凍機の異常を検出できる。本発明によれば以下の効果が期待できる。
(1)冷凍機の障害を素早く検出でき、しかも、超伝導フィルタ装置の小型軽量化が可能である。
(2)パイロット信号発生部を受信アンテナの近傍に設けることにより、例えば、パイロット信号放射アンテナを受信アンテナ近傍に設けることにより、損失なくパイロット信号を受信信号に挿入して超伝導フィルタに入力できる。
(3)アンテナフィーダ線にアイソレータを挿入することにより、パイロット信号が超伝導フィルタで反射されてもアンテナより空間に放射されないようでき、これにより他の通信系に干渉波とならないようにできる。
(4)超伝導フィルタから出力する信号に含まれるパイロット信号のレベルを検出し、該検出レベル波形に基づいて、例えば、レベル変化の割合に基づいて障害の程度を判断することができる。
(5)周波数の異なる2波のパイロット信号を発生して超伝導フィルタに入力し、判定部において各パイロット信号のレベルを検出し、それぞれの検出レベル波形に基づいて障害の程度を判断することもできる。
(6)超伝導フィルタに低雑音増幅器を接続し、該超伝導フィルタと低雑音増幅器をともに極低温に冷却することにより、超伝導フィルタを通過する信号を低雑音増幅器で増幅して出力する無線受信増幅装置を構成できる。
本発明の無線受信装置は、極低温に冷却されたとき所定の通過帯域特性を示す超伝導フィルタ、超伝導フィルタより出力する信号を増幅する低雑音増幅器、該超伝導フィルタと低雑音増幅器を極低温に冷却する冷凍機、前記通過帯域外のパイロット信号を超伝導フィルタと低雑音増幅器の中間部に印加するパイロット信号印加手段、低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号のレベル低下を検出し、設定レベルまで低下したとき冷凍機の異常と判定し、該設定レベル以外のレベルまで低下した時低雑音増幅器の異常と判定する判定部を備えている。
冷凍機(超伝導フィルタ)及び低雑音増幅器がともに正常であれば、パイロット信号印加手段から印加されたパイロット信号の半分の電力部分は超伝導フィルタ方向に進み、残りの半分の電力に相当するパイロット信号部分は低雑音増幅器の方向に進む。超伝導フィルタが正常に動作してれば、パイロット信号は全て反射して低雑音増幅器方向に折り返され、結局パイロット信号の全電力が低雑音増幅器に入力する。一方、冷凍機の障害により温度が上昇するとパイロット信号は超伝導フィルタに吸収されて全て熱となり、低雑音増幅器に入力する電力は1/2になる。従って、冷凍機が正常時と障害時とでは低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号レベルが異なり、障害時には正常時より所定レベル低下する。以上より、低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号のレベル低下を監視し、所定レベルまで低下したとき冷凍機の異常と判定し、該所定レベル以外のレベルまで低下した時低雑音増幅器の異常と判定する。
又、別のパイロット信号を超伝導フィルタに入力し、低雑音増幅器から出力する信号に含まれる該パイロットの検出レベルに基づいて冷凍機の異常を検出する。このようにすれば、確実に冷凍機の障害を検出でき、しかも、超伝導フィルタと低雑音増幅器の中間部に印加したパイロット信号の受信レベル低下に基づいて、低雑音増幅器の異常を確実に判定することが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
(A)第1実施例
(a)全体の構成
図1は本発明の無線受信増幅装置の構成図である。超伝導フィルタ(SCF)11と低雑音増幅器(LNA)12はコールヘッド(冷却端)14上に固定され、真空容器13内に収容されている。真空容器13の中は真空に保たれ、外気温度は遮断されている。コールヘッド14は冷凍機15により冷却されるようになっており、超伝導フィルタ11、低雑音増幅器12はこのコールヘッド14を介して冷凍機15により冷却されてTc=70Kで動作するようになっている。真空容器13及び冷凍機15は屋外に設置できるように筐体16の中に配設され、筐体16、真空容器13の端子17a、17b間並びに18a,18b間は同軸ケーブル19a,19bにより接続され、又、端子17b→超伝導フィルタ11→低雑音増幅器12→端子18b間も同様に同軸ケーブル19cにより接続されている。
筐体16の入力端子17aにはアンテナフィーダ31を介して受信アンテナ32が接続され、該アンテナにより受信された信号は入力端子17aを介して超伝導フィルタ11に入力する。又、パイロット信号発生部33はパイロット信号を発生し、信号結合器34を介して該パイロット信号をアンテナ受信信号に重畳する。従って、パイロット信号はアンテナ受信信号と共に超伝導フィルタに入力する。このパイロット信号の周波数fcは、70Kの超伝導フィルタ11の通過帯域外の周波数である。
筐体16の出力端子18aにはパイロット信号検出部21が接続され、低雑音増幅器12から出力する信号にパイロット信号が含まれているか監視すると共にそのレベルを検出するようになっている。パイロット信号検出部21は、一部入力信号を取り込む方向結合器21a、パイロット信号を通過する中心周波数fcのバンドパスフィルタ21b、バンドパスフィルタ出力に基づいてパイロット信号レベルを検出するレベル検出部21cを備えている。
(b)本発明の原理
超伝導フィルタ11は70Kの極低温に冷却されると所定の通過特性S21を示す。図2は超伝導フィルタ11のT0=70Kにおける通過特性例であり、1950MHz〜1970MHzの通過帯域を有している。超伝導フィルタ11は、臨界温度(Tc)以下で動作させるが、図3(A)に示すように温度をT=T0→T1→T2(T0<T1<T2)と上昇させると、フィルタ通過帯域の中心周波数f0がf00→f01→f02と低くなり、又、挿入損失Lossが大きくなり、その変化の割合は臨界温度Tcに近づくほど大きくなる。このため、温度により超伝導フィルタ11の通過特性S21は、図3(B)に示すように変化する。実際は、超伝導フィルタ11の直後に低雑音増幅器12が接続されているため、該低雑音増幅器12の利得(gain)分だけ信号が増幅される結果、総合の通過特性は温度により図3(C)に示すように変化する。
そこで、T=T0(=70K)におけるフィルタ通過帯域外の周波数fcを有するパイロット信号を超伝導フィルタ11に入力しておく。ただし、パイロット信号の周波数fcを通過帯域周波数より低くくなるように設定する。以上より、T=T0においてパイロット信号周波数fcは超伝導フィルタ11の通過帯域外であるので、パイロット信号Sfcはフィルタ部分で反射され、低雑音増幅器12には入力されない。
しかし、冷凍機15の障害等により温度Tが上昇すると、図3(C)に示すように超伝導フィルタ11の通過帯域が低周波側にずれ始め、次第にパイロット周波数fcをフィルタ11の通過帯域に含むようになる。この結果、パイロット信号Sfcがフィルタ11を通過し始める(時刻t=t1)。そして、温度がさらに上昇してパイロット周波数fcが超伝導フィルタ11の通過帯域に完全に入るまで(t=t2)、パイロット信号の通過量が漸増する。パイロット周波数fcが通過帯域に完全に入ればパイロット信号の通過量はほぼ一定となり、さらに、温度が大きくなってパイロット周波数fcが超伝導フィルタの減衰域に入り始めると(t=t3)、パイロット信号の通過量が漸減し、やがては完全に通過帯域外に入ると(t=t4)通過量は零になる。この結果、パイロット信号検出部21に入力するパイロット信号レベルは時間の経過に応じて図4に示すような波形になる。
以上より、閾値レベルLTHを決めておき、これを上回れば、パイロット信号検出部21は超伝導フィルタ11の周波数特性(通過特性)が変化したと判定する。すなわち、パイロット信号検出部21は検出レベルが閾値レベルLTHを越えれば、冷凍機15が故障して温度上昇が発生したと判定し、アラーム信号ALMを出力する。
(c)冷凍機故障検出
超伝導フィルタ11および低雑音増幅器12を冷却端14に固定し、真空容器13の中で真空に保ち、外気温度を遮断する。超伝導フィルタ11は、たとえば、酸化マグネシウムMgO基板上にTc=90KのYBCO超伝導体で9段、通過域1920MHz〜1940MHzのフィルタパターンを構成し、サイズ50×50×15mm程度の金属パッケージに収めて均一に冷却する。動作温度T0=70Kでは通過域の損失は0.1dB以下が実現できる。冷凍機15には、図示しない外部から電源が供給され、図示しない駆動電源、温調機等によりフィルタ動作温度=70Kになるように駆動制御されている。これらはサイズ500×500×300mm程度の筐体16に収められ、ビルの屋上などの屋外に設置される。このため、真夏の昼間などは内部温度が60℃〜80℃になることもあり、冷凍機15は過酷な条件に置かれても長時間安定運転することが求められている。
アンテナから受信された信号は、入力端17aから入力され、所望の周波数帯の信号だけが超伝導フィルタ11を通過し、低雑音増幅器12で増幅され、出力端18aから出力され、パイロット信号検出部21を介して次段に送出される。ここで、フィルタ帯域外のパイロット信号(例えばfc=1900MHz)を受信信号に印加して入力端17aに入力させると、正常動作(T=T0)している場合は、図3(C)に示したように、パイロット周波数fcはフィルタの通過帯域外であるので、フィルタ部分で反射される。この結果、パイロット信号Sfcは低雑音増幅器12に入力せず、該低雑音増幅器の出力信号にも含まれない。
しかし、冷凍機15が故障して、超伝導フィルタ部分の温度が上昇すると、周波数特性が低周波側にずれ始め、パイロット信号は超伝導フィルタ11を通過し始める。通過したパイロット信号は低雑音増幅器12で増幅され、パイロット信号検出部21に送られる。パイロット信号検出部21は、パイロット信号成分だけを取り出し、一定時間毎のパイロット信号レベルをサンプリングする。冷凍機15が故障すると、図4に示した検出レベルの時間波形が得られるから、パイロット信号検出部21は検出レベルが閾値を超えると冷凍機故障というアラーム信号ALMを出力する。
以上のように、冷凍機故障時、パイロット信号検出部21は一定時間毎のパイロット信号検出レベルをサンプリングして記録するが(図4参照)、温度の上昇速度に応じて検出レベルの時間波形の立上り、立下がり時の変化度合や閾値LTHを越えている時間幅が異なる。すなわち、重度の冷凍機故障の場合には、温度上昇速度が大きくなり図5のCase Bに示すように、検出レベルの時間波形の立上り、立下がりが急峻になり、閾値LTHを越えている時間幅が狭まくなる。一方、軽度の冷凍機故障の場合には、温度上昇速度が小さくなり図5のCase Cに示すように、検出レベルの時間波形の立上り、立下がりが緩やかになり、閾値LTHを越えている時間幅が広くなる。また、中度の冷凍機故障の場合には、図5のCase Aに示すように、検出レベルの時間波形の立上り、立下がりの傾斜及び閾値LTHを越えている時間幅はCase B,Cの中間になる。以上より、Case A〜Cの波形を識別する機構をパイロット信号検出部21に搭載すれば、冷凍機の故障の程度がわかる。すなわち、障害の程度を、Case B=重度、Case C=軽度、Case A=平均的といったように分類することができ、障害の程度に応じて作業員派遣の優先順位をつけることができたり、故障原因特定のフィードバックにも役に立たせることが可能となる。
(B)第2実施例
図6は本発明の第2実施例の構成図であり、パイロット信号をアンテナ受信信号に挿入する好ましい構成を備えており、図1の第1実施例と同一部分には同一符号を付している。
パイロット信号は、第1実施例のように結合器などを用いてアンテナ受信信号に印加することができるが、低雑音増幅器12より前の損失が増加し、雑音指数(NF)が増加してしまい、低雑音増幅器12を冷却した利点を生かしきれない。そこで、図6に示すように受信アンテナ32の近傍にパイロット信号発生装置33を設置する。パイロット信号発生装置33は、超伝導フィルタ11の通過帯域外の周波数fcのパイロット信号を発生する発振器33aと、該パイロット信号を受信アンテナ32に向けて放射する指向性アンテナ33bを備えているから、該アンテナ33bを受信アンテナ32に向け、かつ接近して配置する。この状態で発振器33aを発振するとパイロット信号が受信アンテナ32に向けて放射され、アンテナ32はパイロット信号を移動局からの信号と共に受信しアンテナフィーダ31を介して信号入力端子17aに入力する。この結果、結合器のように余分な損失を含むことなくパイロット信号を移動局からの受信信号に重畳して入力端子17aに入力することができ、雑音指数(NF)を増加させることなく冷凍器の異常を検出することができる。
(C)第3実施例
図7は本発明の第3実施例の構成図であり、アイソレータ35を受信アンテナ32と筐体16の入力端子17a間に設けた構成を備えている点を除けば図6の第2実施例と同一構成を備え、同一部分には同一符号を付している。
冷凍機15が正常動作している場合、超伝導フィルタ11の通過帯域外のパイロット信号はフィルタ部分でほぼ全反射され、反射されたパイロット信号が逆にアンテナ32から放射される。このとき、アンテナ32が指向性をもち、利得がある場合、反射された信号レベルが大きくなって放射され、他の通信系にとって干渉波となる場合がある。そこで、第3実施例ではアイソレータ35をアンテナフィーダ31中に挿入することにより、超伝導フィルタ11から反射されてきたパイロット信号を遮断する。第3実施例によれば、反射パイロット信号がアンテナから放射されて他の通信に悪影響を与えることはない。
(D)第4実施例
図8は本発明の第4実施例の構成図であり、第1、第2の2つのパイロット信号をアンテナ受信信号に挿入する構成を備えており、図6の第2実施例と同一部分には同一符号を付している。受信アンテナ32の近傍に配置したパイロット信号発生装置33は、周波数fC1の第1のパイロット信号Sfc1を発生する発振器33c、周波数fC2(>fC1)の第2のパイロット信号Sfc2を発生する発振器33d、第1、第2のパイロット信号Sfc1,Sfc2を合成する合成部33e、第1、第2のパイロット信号を受信アンテナ32に向けて放射するアンテナ33fを有している。
長時間使用により冷凍機の冷凍能力が低下すると(軽度な故障)、冷凍機周囲温度の上昇により超伝導フィルタ11の動作温度はT0(=70K)以上に上昇する。しかし、夜間になって冷凍機の周囲温度が室温程度まで下がると、超伝導フィルタ11の動作温度はT0まで戻って正常動作する。一方、重度の故障では超伝導フィルタ11の動作温度はT0(=70K)以上に上昇しっぱなしになり超伝導フィルタ11は正常な動作をできなくなる。かかる故障の程度を検出できれば、故障程度に応じた対策を講じることが可能になる。
そこで、図9(A)に示すように、T=T0の超伝導フィルタ11の通過帯域外の周波数fC1,fC2をそれぞれ有する2波のパイロット信号Sfc1,Sfc2を受信信号と共に超伝導フィルタ11に入力し、各パイロット信号Sfc1,Sfc2のレベルをパイロット信号検出部21で検出して冷凍機障害の程度を判定する。
冷凍能力の一時的低下のように冷凍機の軽度な故障であれば、超伝導フィルタ11の通過特性(周波数特性)は温度上昇により一旦低周波側にずれるが、正規の温度に戻るため通過特性も正規の特性に戻る。すなわち、一時的な温度上昇により超伝導フィルタ11の通過特性は図9(B)の点線に示すようになり、しかる後、正規温度への復帰により実線の通過特性に戻る。このため、図10(A)に示すように、温度上昇時には、まず周波数fC2のパイロット信号Sfc2が検出され、ついで、周波数fC1のパイロット信号Sfc1が検出され、一方、温度復帰時には、まず、周波数fC1のパイロット信号Sfc1が検出されなくなり、ついで、周波数 fC2のパイロット信号Sfc2が検出されなくなる。尚、温度上昇がわずかであれば、超伝導フィルタ11の通過特性は図9(C)の点線で示すようになり、周波数fC1のパイロット信号Sfc1は検出されず、パイロット信号Sfc2のみ検出されその検出レベル時間波形は図10(B)のようになる。
一方、重度の故障であれば、超伝導フィルタ11の通過特性(周波数特性)は温度上昇により図9(D)の点線に示すように、周波数fC1,fC2より低周波側にずれっぱなしになる。このため、図10(C)に示すように、温度上昇時に、まず周波数fC2のパイロット信号Sfc2が検出され、ついで、周波数fC1のパイロット信号Sfc1が検出され、更に温度が上昇して、まず、周波数fC2のパイロット信号Sfc2が検出されなくなり、ついで、周波数fC1のパイロット信号Sfc1が検出されなくなる。
パイロット信号検出部21は、パイロット信号Sfc1,Sfc2の成分を取り出し、一定時間毎の各パイロット信号レベルをサンプリングし、各パイロット信号の検出レベルの時間波形に基づいて障害の程度を検出する。このようにすれば、障害の程度に応じて作業員派遣の優先順位をつけることができたり、故障原因特定のフィードバックにも役に立たせることが可能となる。
(E)第5実施例
図11は本発明の第5実施例の構成図であり、冷凍機の故障及び低雑音増幅器の故障を検出するもので、図1の第1実施例と同一部分には同一符号を付している。第5実施例では、超伝導フィルタ11と低雑音増幅器12の中間に方向結合器41を設け、該方向結合器を介してパイロット信号発生装置42から出力するパイロット信号を超伝導フィルタ11の出力信号に重畳する。パイロット信号の周波数fLは超伝導フィルタ11の通過帯域外の周波数であり、例えばfL=2000MHzである。方向結合器41は図12に示す構成を備え、パイロット信号発生装置(発振器)42より出力するパイロット信号を超伝導フィルタ11と低雑音増幅器12の各方向に流し込むように結合する。
正常時、印加されたパイロット信号SfLは低雑音増幅器12で増幅され、アンテナ受信信号とともに出力端18aから出力される。パイロット信号検出部43は、パイロット信号のレベルを検出し、該パイロット信号レベルに基づいて低雑音増幅器12の異常をチェックする。すなわち、低雑音増幅器12に故障が発生するとパイロット信号SfLの検出レベルが低下するから該パイロット信号レベルに基づいて低雑音増幅器の異常をチェックする。
ところで、超伝導フィルタ11に通過帯域外のパイロット信号を入力すると、超伝導フィルタ11が正常動作していれば、図13に示すようにリターンロス(S11(T=70K)参照)がほぼ0dBなので、図14(A)に示すようにパイロット信号は超伝導フィルタ11で全反射する。しかし、冷凍機の故障で温度が臨界温度よりも大きくなって超伝導状態でなくなると、図13に示すようにリターンロス(S11(T=300K)参照))は、−10dB〜−20dBとなる。このため、図14(B)に示すようにパイロット信号は超伝導フィルタ11で10%〜1%しか反射されなくなり、残りの90%〜99%は超伝導フィルタ内に吸収されて熱となる。
以上より、超伝導フィルタ11が正常動作している場合、パイロット信号は結合器41から超伝導フィルタ11に流れ込もうとしても、全反射されて低雑音増幅器12側に流れ込み、パイロット信号の全電力が低雑音増幅器12に流れ込む。しかし、冷凍機15の故障で臨界温度よりも大きくなると、パイロット信号は反射されずに超伝導フィルタ11に流れ込むため、低雑音増幅器12に流れ込むパイロット信号電力は正常時の半分になる。すなわち、パイロット信号は結合器部41で5:5に分離して超伝導フィルタ11及び低雑音増幅器12に流れるため、故障時、パイロット信号検出部43におけるパイロット信号検出レベルは3dB分下がることになる。尚、温度上昇時に低雑音増幅器12のゲインも低下するため、実際には該ゲイン低下分も含めて5dB程度レベルが低下する。このレベル低下分は、結合器及び低雑音増幅器の特性から既知の値となるから以後LD(dB)とする。
パイロット信号検出部43はパイロット信号レベルがLD(dB)下がったか否かの判定を常時行っており、例えばLD(dB)下がれば冷凍機15に故障が発生したものとしてアラーム信号ALMを出力する。また、LD(dB)より大きなレベル低下が発生すれば低雑音増幅器12に障害が発生したものとしてアラーム信号を出力する。
(F)第6実施例
図15は本発明の第6実施例の構成図であり、第2実施例と第5実施例を組み合わせ、冷凍機の故障及び低雑音増幅器の故障を精度良く検出できるようにしたもので、第2、第5実施例と同一部分には同一符号を付している。第6実施例はパイロット信号として、▲1▼パイロット信号発生部32より発生する周波数fc(=1900MHz)の冷凍機障害検出用のパイロット信号Sfc、▲2▼パイロット信号発生部42より発生する周波数fL(=2000MHz)の低雑音増幅器障害検出用のパイロット信号SfLを使用する。
アンテナ受信信号、周波数fcのパイロット信号Sfc、周波数fLのパイロット信号SfLはそれぞれ出力端子18aから出力し、周波数fcのパイロット信号検出部21および周波数fLのパイロット信号検出部43の順に通過する。それぞれの検出部21,43は周波数fc,fLのパイロット信号レベルを検出して障害箇所判定部51に入力し、障害箇所判定部51は図16に従って障害箇所を判定する。すなわち、障害箇所判定部51は周波数fcのパイロット信号Sfcを検出しなければ、冷凍機15は正常であると判定し、周波数fcのパイロット信号Sfcを検出すれば冷凍機15に障害が発生したと判定する。また、障害箇所判定部51は、(1)パイロット信号SfLの検出レベルが正常であれば正常と判定し、(2)冷凍機が正常でパイロット信号SfLの検出レベルがLD(dB)低下すれば、低周波増幅器12に障害が発生したと判定し、(3)冷凍機が正常でパイロット信号SfLの検出レベルが任意dB低下すれば、低周波増幅器12に障害が発生したと判定し、(4)冷凍機が異常でパイロット信号SfLの検出レベルがLD(dB)低下すれば、低周波増幅器12は正常であると判定し、(4)冷凍機が異常でパイロット信号SfLの検出レベルがLD(dB)以上低下すれば、低周波増幅器12も異常であると判定する。
以上より、第6実施例によれば、冷凍機が故障なのか、低雑音増幅器が故障なのか、両方故障なのかをより確実に検出でき、必要最低限の故障部品だけ交換すれば良いというメリットがある。特に、LD(dB)下がった場合、たまたま低雑音増幅器が故障してLD(dB)下がっただけなのか、冷凍機が故障してLD(dB)下がったのか原因を特定できる。
(G)第7実施例
以上では低雑音増幅器12を真空容器内に納めて超伝導フィルタ11と一緒に冷却したが、各実施例において低雑音増幅器12は必ずしも冷却する必要はなく、筐体16の外部に設けることができる。図17は第2実施例(図6参照)の低雑音増幅器12を筐体16の外部に配置した例であり、50は超伝導フィルタ装置である。
以上本発明によれば、冷凍機の故障の有無、故障内容、故障の程度を判定、報告することができ、移動体通信の通信不能という状況を最小限に押えることができる。
また、本発明によれば、冷凍機の障害を素早く、確実に検出でき、しかも、ハードウェア手段としてパイロット信号挿入手段及びパイロット信号検出手段を必要とするだけでよいため超伝導フィルタ装置及び無線受信増幅装置の小型軽量化が可能である。
また、本発明によれば、冷凍機、低雑音増幅器のいずれに障害が発生したのか、あるいは両方に障害が発生したのかを確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の無線受信増幅装置の構成図である。
図2は超伝導フィルタの通過特性図である。
図3は超伝導フィルタの通過特性及び損失特性の温度依存性説明図である。
図4は温度上昇時におけるパイロット検出レベルの時間波形図である。
図5は冷凍機の故障程度とパイロット検出レベル時間波形との関係説明図である。
図6は本発明の第2実施例の構成図である。
図7は本発明の第3実施例の構成図である。
図8は本発明の第4実施例の構成図である。
図9は2波のパイロット信号を用いて冷凍機の故障程度を検出する場合の通過特性説明図である。
図10は2波のパイロット信号を用いて冷凍機の故障程度を検出する場合の検出レベルの時間波形である。
図11は本発明の第5実施例の構成図である。
図12は方向結合器の構成、動作説明図である。
図13は超伝導フィルタの極低温時と高温時における通過特性S21/反射特性S11の説明図である。
図14は第5実施例の障害箇所検出原理説明図である。
図15は本発明の第6実施例の構成図である。
図16は各パイロット検出レベルと障害箇所の対応説明図表である。
図17は低雑音増幅器を筐体の外部に配置した超伝導フィルタ装置の構成図である
図18は超伝導フィルタを備えた従来の無線受信増幅装置の構成図である。
図19は超伝導フィルタの説明図である。
図20は真空容器内における電気接続構成図である。
図21は低雑音増幅器のゲイン特性、雑音指数特性である。Technical field
The present invention relates to a superconducting filter device used in a mobile communication base station and a radio reception amplifying device including the superconducting filter, and more particularly, to a superconducting filter device and a superconducting filter device capable of quickly detecting an abnormality in a refrigerator. The present invention relates to a radio reception amplifying device including a conduction filter.
Background art
In general, in order to obtain a steep cut-off characteristic in a communication filter, the number of filter stages must be increased. However, there is a problem that the loss in the pass band becomes large accordingly. Therefore, focusing on the fact that superconductors are 2 to 3 orders of magnitude lower in resistance than ordinary metals, superconducting filters that use superconductors as filter conductors to minimize loss in the passband are practical. It has become. In recent years, such superconducting filters have attracted attention for the purpose of effective use of frequencies in mobile band communications, increase in subscriber capacity, increase in the coverage area of base stations, and the like. YBCO (Y-Ba-Cu-O) having a critical temperature (Tc) of about 90K is known as a superconductor material for a superconducting filter, and is used at a Tc of about 70K where characteristics are stable.
FIG. 18 is a configuration diagram of a conventional radio reception amplifying apparatus provided with a superconducting filter. A superconducting filter (SCF) 1 and a low noise amplifier (LNA) 2 are fixed on a call head (cooling end) 4 and accommodated in a
As shown in FIGS. 19A and 19B, the
The electrical connection configuration in the vacuum vessel is as shown in FIG. 20, and for example, two systems of radio reception amplification devices are formed. When the
As described above, the
In the mobile communication system, the wireless receiver shown in FIG. 18 is installed outdoors such as the rooftop of a building, and is placed in a hot and humid adverse environment in midsummer. In such a severe condition, the wireless reception device is required to have reliability for long-time stable operation such as tens of thousands of hours. However, since many sliding parts are used for the
As described above, an object of the present invention is to provide a superconducting filter device and a wireless reception amplifying device that can detect a failure of a refrigerator quickly and reliably and that can be reduced in size and weight.
Another object of the present invention is to provide a superconducting filter device and a radio reception amplifying device capable of detecting a failure of a refrigerator and detecting the degree of the failure.
Another object of the present invention is to make it possible to reliably detect whether a failure has occurred in either the refrigerator or the low-noise amplifier, or whether both have failed.
Disclosure of the invention
The superconducting filter device of the present invention generates a superconducting filter exhibiting a predetermined passband characteristic when cooled to a cryogenic temperature, a refrigerator for cooling the superconducting filter to a cryogenic temperature, and a pilot signal outside the passband. A pilot signal generating unit that inputs the pilot signal to the superconducting filter together with the antenna reception signal, and a determination unit that determines abnormality of the refrigerator based on the level of the pilot signal included in the signal output from the superconducting filter . When the chiller fails and the temperature rises, the pass band of the superconducting filter moves to the low frequency side, the pilot signal frequency enters the pass band of the superconducting filter, and the pilot signal passes through the superconducting filter. . Therefore, it is possible to detect the abnormality of the refrigerator by monitoring whether the signal output from the superconducting filter includes a pilot signal. According to the present invention, the following effects can be expected.
(1) The trouble of the refrigerator can be detected quickly, and the superconducting filter device can be reduced in size and weight.
(2) By providing the pilot signal generating unit in the vicinity of the receiving antenna, for example, by providing the pilot signal radiating antenna in the vicinity of the receiving antenna, the pilot signal can be inserted into the received signal without loss and input to the superconducting filter.
(3) By inserting an isolator in the antenna feeder line, even if the pilot signal is reflected by the superconducting filter, it can be prevented from being radiated into the space from the antenna, and thereby it can be prevented from becoming an interference wave in other communication systems.
(4) The level of the pilot signal included in the signal output from the superconducting filter can be detected, and the degree of failure can be determined based on the detected level waveform, for example, based on the level change rate.
(5) Two pilot signals having different frequencies are generated and input to the superconducting filter, the level of each pilot signal is detected by the determination unit, and the degree of failure is determined based on each detected level waveform. it can.
(6) A low noise amplifier is connected to the superconducting filter, and both the superconducting filter and the low noise amplifier are cooled to a very low temperature so that a signal passing through the superconducting filter is amplified by the low noise amplifier and output. A reception amplification device can be configured.
A wireless receiver of the present invention includes a superconducting filter exhibiting a predetermined passband characteristic when cooled to an extremely low temperature, a low noise amplifier that amplifies a signal output from the superconducting filter, and the superconducting filter and the low noise amplifier. A refrigerator that cools to a low temperature, a pilot signal applying means that applies a pilot signal outside the pass band to the intermediate portion of the superconducting filter and the low noise amplifier, and a drop in the level of the pilot signal included in the signal output from the low noise amplifier is detected And a determination unit that determines that the refrigerator is abnormal when the level is lowered to a set level and determines that the low-noise amplifier is abnormal when the level is lowered to a level other than the set level.
If both the refrigerator (superconducting filter) and the low-noise amplifier are normal, half of the pilot signal applied from the pilot signal application means travels in the direction of the superconducting filter, and the pilot corresponding to the remaining half of the power. The signal part goes in the direction of the low noise amplifier. If the superconducting filter is operating normally, the pilot signal is all reflected and folded in the direction of the low noise amplifier, and eventually the total power of the pilot signal is input to the low noise amplifier. On the other hand, when the temperature rises due to the failure of the refrigerator, the pilot signal is absorbed by the superconducting filter and becomes all heat, and the power input to the low noise amplifier is halved. Therefore, the pilot signal level included in the signal output from the low noise amplifier differs between when the refrigerator is normal and when it is faulty, and when the fault occurs, the pilot signal level is lower than the normal level. As described above, the pilot signal level drop included in the signal output from the low noise amplifier is monitored, and when it falls to a predetermined level, it is determined that the refrigerator is abnormal, and when the level is lowered to a level other than the predetermined level, the low noise amplifier Judge as abnormal.
Further, another pilot signal is input to the superconducting filter, and an abnormality of the refrigerator is detected based on the detection level of the pilot included in the signal output from the low noise amplifier. In this way, it is possible to reliably detect the failure of the refrigerator, and reliably determine the abnormality of the low noise amplifier based on the reception level drop of the pilot signal applied to the intermediate part of the superconducting filter and the low noise amplifier. It becomes possible to do.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(A) First embodiment
(A) Overall configuration
FIG. 1 is a configuration diagram of a radio reception amplifying apparatus according to the present invention. A superconducting filter (SCF) 11 and a low noise amplifier (LNA) 12 are fixed on a call head (cooling end) 14 and accommodated in a
A receiving
A
(B) Principle of the present invention
When the
So T = T 0 A pilot signal having a frequency fc outside the filter pass band at (= 70 K) is input to the
However, when the temperature T rises due to a failure of the
From the above, the threshold level L TH If this value is exceeded, the
(C) Refrigerator failure detection
The
A signal received from the antenna is input from the
However, when the
As described above, the pilot
(B) Second embodiment
FIG. 6 is a block diagram of the second embodiment of the present invention, which has a preferable configuration for inserting a pilot signal into an antenna reception signal. The same parts as those in the first embodiment of FIG. Yes.
The pilot signal can be applied to the antenna reception signal using a coupler or the like as in the first embodiment, but the loss before the
(C) Third embodiment
FIG. 7 is a block diagram of the third embodiment of the present invention. Except for the point that the
When the
(D) Fourth embodiment
FIG. 8 is a block diagram of the fourth embodiment of the present invention, which has a configuration for inserting the first and second pilot signals into the antenna reception signal, and is the same as the second embodiment of FIG. Are given the same reference numerals. A
If the refrigeration capacity of the refrigerator decreases due to long-term use (mild failure), the operating temperature of the
Therefore, as shown in FIG. 9A, T = T 0 The frequency f outside the passband of the
If the refrigerator has a minor failure such as a temporary decrease in refrigeration capacity, the pass characteristic (frequency characteristic) of the
On the other hand, if it is a serious failure, the pass characteristic (frequency characteristic) of the
The pilot
(E) Fifth embodiment
FIG. 11 is a block diagram of the fifth embodiment of the present invention, which detects the failure of the refrigerator and the failure of the low noise amplifier. The same parts as those of the first embodiment of FIG. Yes. In the fifth embodiment, a
When normal, the applied pilot signal Sf L Is amplified by the
By the way, when a pilot signal outside the pass band is input to the
From the above, when the
The
(F) Sixth embodiment
FIG. 15 is a block diagram of a sixth embodiment of the present invention. The second embodiment and the fifth embodiment are combined so that a refrigerator failure and a low noise amplifier failure can be detected with high accuracy. 2 and the same part as 5th Example are attached | subjected the same code | symbol. In the sixth embodiment, (1) a pilot signal Sfc for detecting a refrigerator failure having a frequency fc (= 1900 MHz) generated from the
Antenna reception signal, pilot signal Sfc of frequency fc, frequency f L Pilot signal Sf L Are respectively output from the
As described above, according to the sixth embodiment, it is possible to more reliably detect whether the refrigerator is malfunctioning, the low noise amplifier is malfunctioning, or both are malfunctioning, and it is only necessary to replace the minimum necessary malfunctioning parts. There is. In particular, L D (DB) If it goes down, it happens that the low noise amplifier fails and L D (DB) The refrigerator has broken down and it has just been lowered. D (DB) It is possible to identify the cause of the drop.
(G) Seventh embodiment
In the above, the
As described above, according to the present invention, it is possible to determine and report the presence / absence of failure of the refrigerator, the content of the failure, and the degree of the failure, and it is possible to minimize the situation where communication of mobile communication is impossible.
In addition, according to the present invention, it is possible to quickly and surely detect the trouble of the refrigerator, and since only the pilot signal insertion means and the pilot signal detection means are required as hardware means, the superconducting filter device and the radio reception The amplification device can be reduced in size and weight.
In addition, according to the present invention, it is possible to reliably detect whether a failure has occurred in either the refrigerator or the low-noise amplifier, or whether a failure has occurred in both.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a radio reception amplifying apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a pass characteristic diagram of the superconducting filter.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the temperature dependence of the pass characteristics and loss characteristics of the superconducting filter.
FIG. 4 is a time waveform diagram of the pilot detection level when the temperature rises.
FIG. 5 is an explanatory diagram of the relationship between the degree of failure of the refrigerator and the pilot detection level time waveform.
FIG. 6 is a block diagram of the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram of the third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram of pass characteristics when the degree of failure of the refrigerator is detected using two-wave pilot signals.
FIG. 10 is a time waveform of the detection level when the degree of failure of the refrigerator is detected using two-wave pilot signals.
FIG. 11 is a block diagram of the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining the configuration and operation of the directional coupler.
FIG. 13 is an explanatory diagram of the pass characteristic S21 / reflection characteristic S11 of the superconducting filter at extremely low and high temperatures.
FIG. 14 is a diagram for explaining the fault location detection principle of the fifth embodiment.
FIG. 15 is a block diagram of the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a table for explaining the correspondence between each pilot detection level and the fault location.
FIG. 17 is a configuration diagram of a superconducting filter device in which a low-noise amplifier is disposed outside the housing.
FIG. 18 is a configuration diagram of a conventional radio reception amplifying apparatus provided with a superconducting filter.
FIG. 19 is an explanatory diagram of a superconducting filter.
FIG. 20 is an electrical connection configuration diagram in the vacuum vessel.
FIG. 21 shows gain characteristics and noise figure characteristics of the low noise amplifier.
Claims (9)
極低温に冷却されたとき所定の通過帯域特性を示す超伝導フィルタ、
該超伝導フィルタを極低温に冷却する冷凍機、
前記通過帯域特性の通過帯域外であって低周波側の周波数を有するパイロット信号を発生し、該パイロット信号を超伝導フィルタにアンテナ受信信号と共に入力するパイロット信号発生部、
超伝導フィルタから出力する信号に含まれるパイロット信号が設定レベル以上になったとき超伝導フィルタシステムの異常を判定する判定部、
を備えたことを特徴とする超伝導フィルタ装置。In the superconducting filter device,
A superconducting filter that exhibits predetermined passband characteristics when cooled to cryogenic temperatures,
A refrigerator that cools the superconducting filter to a cryogenic temperature;
A pilot signal generating unit that generates a pilot signal having a low frequency side outside the pass band of the pass band characteristic , and inputs the pilot signal to the superconducting filter together with the antenna reception signal;
A determination unit for determining an abnormality of the superconducting filter system when a pilot signal included in a signal output from the superconducting filter exceeds a set level ;
A superconducting filter device comprising:
ことを特徴とする請求項2記載の超伝導フィルタ装置。The pilot signal generator includes a pilot signal radiating antenna, and the radiating antenna is provided in the vicinity of the receiving antenna.
The superconducting filter device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2記載の超伝導フィルタ装置。An isolator is inserted in the antenna feeder line.
The superconducting filter device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1記載の超伝導フィルタ装置。The determination unit detects the level of a pilot signal included in the signal output from the superconducting filter, and determines the degree of abnormality based on the detection level waveform.
The superconducting filter device according to claim 1.
極低温に冷却されたとき所定の通過帯域特性を示す超伝導フィルタ、
超伝導フィルタより出力する信号を増幅する低雑音増幅器、
該超伝導フィルタと低雑音増幅器を極低温に冷却する冷凍機、
前記通過帯域特性の通過帯域外であって低周波側の周波数を有するパイロット信号を発生し、該パイロット信号を超伝導フィルタにアンテナ受信信号と共に入力するパイロット信号発生部、
低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号が設定レベル以上になったとき超伝導フィルタシステムの異常を判定する判定部、
を備えたことを特徴とする無線受信増幅装置。In a radio reception amplification device that amplifies and outputs a signal in a predetermined band among signals received by an antenna,
A superconducting filter that exhibits predetermined passband characteristics when cooled to cryogenic temperatures,
Low noise amplifier that amplifies the signal output from the superconducting filter,
A refrigerator that cools the superconducting filter and the low-noise amplifier to a cryogenic temperature;
A pilot signal generating unit that generates a pilot signal having a low frequency side outside the pass band of the pass band characteristic , and inputs the pilot signal to the superconducting filter together with the antenna reception signal;
A determination unit for determining an abnormality of the superconducting filter system when a pilot signal included in a signal output from the low noise amplifier exceeds a set level ;
A radio reception amplifying apparatus comprising:
ことを特徴とする請求項6記載の無線受信増幅装置。The pilot signal generator includes a pilot signal radiating antenna, and the radiating antenna is provided in the vicinity of the receiving antenna.
The radio reception amplifying apparatus according to claim 6.
ことを特徴とする請求項7記載の無線受信増幅装置。An isolator is inserted in the antenna feeder line.
The radio reception amplifying apparatus according to claim 7.
ことを特徴とする請求項6記載の無線受信増幅装置。The determination unit detects a level of a pilot signal included in a signal output from a low noise amplifier, and determines the degree of abnormality based on the detection level waveform.
The radio reception amplifying apparatus according to claim 6.
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